DE112006001842B4 - Unit and method for high-power laser processing - Google Patents
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Abstract
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, umfassend eine Laserquelle (12) für ein Hochleistungslaserlicht (42, 56, 72) einer Wellenlänge und mindestens ein gezielt drehbar positionierbares optisches Element (14, 18, 32, 40, 60, 74 + 76) mit einer regelbaren Rotationsposition zum Lenken des Hochleistungslaserlichts, beinhaltend ein Substrat (50, 70), das im Wesentlichen durchsichtig ist für das Licht der Wellenlänge, mindestens eine stark reflektierende Beschichtung (52, 74), welche für Strahlung der Wellenlänge stark reflektierend ist, auf einer ersten Substratseite und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung (54, 77), welche für Strahlung der Wellenlänge nicht reflektierend ist, auf einer zweiten Substratseite.High-power laser processing unit, comprising a laser source (12) for a high-power laser light (42, 56, 72) of a wavelength and at least one selectively rotatably positionable optical element (14, 18, 32, 40, 60, 74 + 76) with a controllable rotational position to Directing the high power laser light comprising a substrate (50, 70) substantially transparent to the light of the wavelength, at least one highly reflective coating (52, 74) which is highly reflective for radiation of the wavelength, on a first substrate side and at least a non-reflective coating (54, 77), which is non-reflective for radiation of wavelength, on a second substrate side.
Description
Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungseinheit und im Einzelnen die optischen Elemente zur Benutzung in einer Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit.The invention relates to a laser processing unit and more particularly to the optical elements for use in a high power laser processing unit.
Der Leistungsausgang eines konventionellen kommerziellen Lasers kann eine Höhe von mehreren Kilowatt erreichen. Weil Laser einen geringen Wirkungsgrad aufweisen, erwärmen sie sich durch die Eingangsleistung, die nicht in eine nützliche Ausgangsleistung verwandelt wird. Bei einer typischen Gesamtwirkung von 10% entstehen große Mengen an Wärme, und diese Wärme wird normalerweise durch einen Wasserkreislauf oder durch eine Luftkühlung oder eine Kombination von beidem entfernt. Die stationären oder halb-stationären optischen Elemente, die den Laserstrahl biegen, fokussieren und lenken, erwärmen sich auch durch die überschüssige Wärme im Laser, werden aber vor allem vom Laserstrahl selbst bestrahlt. Weil diese optischen Elemente weder komplett transparent, noch perfekt reflektierend sein können, absorbieren und verwandeln sie einen kleinen Bruchteil der Leistung des Lasers in zusätzliche Wärme, die auch abgeführt werden muss. Die Hohlspiegel, die Faltoberflächen und das Prüffernrohr u. ä. sind normalerweise Teil der Lasereinheit und können so einfach mit der gleichen Methode gekühlt werden, die auch für den Laser benutzt wird.The power output of a conventional commercial laser can reach several kilowatts. Because lasers are low in efficiency, they heat up by the input power, which is not turned into a useful output. With a typical overall effect of 10%, large amounts of heat are generated and this heat is normally removed by a water cycle or by air cooling or a combination of both. The stationary or semi-stationary optical elements, which bend, focus and direct the laser beam, also heat up due to the excess heat in the laser, but are mainly irradiated by the laser beam itself. Because these optical elements can not be completely transparent or perfectly reflective, they absorb and transform a small fraction of the power of the laser into additional heat, which also has to be dissipated. The concave mirrors, the folding surfaces and the Prüffernrohr u. Ä. are usually part of the laser unit and can be cooled easily with the same method that is used for the laser.
Allerdings ist die Einheit, mit der der Laserstrahl auf die Arbeitsfläche gelenkt wird, gemeinhin auch „Scankopf” genannt, oft abseits vom Laser selbst angebracht, kann sogar die Form eines Roboterendeffektors haben oder anders dynamisch mit dem Laser selbst verbunden sein. Durch diese abseitige und dynamische Verbindung zwischen dem Laser und dem Prozess ist es sehr schwer, die Scaneinheit mit demselben Kühlsystem zu kühlen, das auch den Laser kühlt; und es ist im Allgemein schwer und teuer, ein gleichwertiges Kühlsystem für den Scankopf bereitzustellen.However, the unit that directs the laser beam onto the work surface, commonly called a "scan head", is often attached away from the laser itself, may even be in the form of a robot end effector or otherwise dynamically connected to the laser itself. This remote and dynamic connection between the laser and the process makes it very difficult to cool the scan unit with the same cooling system that also cools the laser; and it is generally difficult and expensive to provide an equivalent cooling system for the scan head.
Die Ursache, warum die Scaneinheit gekühlt werden muss, ist wie folgt. Der Laserstrahl bestrahlt die Optik, die normalerweise ein oder zwei Spiegel und eine Fokussierungslinse beinhaltet. Obwohl diese Optik sich außerhalb des heißen Lasers befindet und obwohl der Laserstrahl an der Optik ausgeweitet wird, um die Leistungsdichte des Strahls zu reduzieren, wird nicht die Gesamtleistung, die den Spiegel trifft, auch reflektiert. Ein kleiner Bruchteil der Leistung des Laserstrahls, normalerweise zwischen 0,3% und 0,5%, erhitzt jeden einzelnen Spiegel. Bei einer Strahlenleistung von 6 kW betragen 0,3% 30 Watt, welche, wenn aufgenommen, die Masse des Spiegels schnell soweit erwärmen würden, dass er zerstört würde.The reason why the scan unit has to be cooled is as follows. The laser beam irradiates the optics, which usually includes one or two mirrors and a focusing lens. Although this optics is located outside the hot laser and although the laser beam is expanded at the optics to reduce the power density of the beam, the overall power that hits the mirror is not reflected. A small fraction of the power of the laser beam, usually between 0.3% and 0.5%, heats every single mirror. At a beam power of 6 kW, 0.3% is 30 watts, which, if picked up, would quickly heat the mass of the mirror to the point where it would be destroyed.
Die Spiegel im Laser selbst haben eine feste Position und erlauben deshalb einen robusten Thermalkontakt mit dem Gehäuse des Lasers, das, wenn gekühlt, einen Konduktionsweg mit niedrigem Thermalwiderstand zu dem Kühlsystem darstellt. Andererseits sind die Spiegel, die den Laserstrahl auf die Arbeitsfläche lenken, normalerweise an einem dünnen Regler angebracht, normalerweise dem Regler eines Drehmotors zur begrenzten Rotation. Wegen der Wärmeanfälligkeit eines solchen Motors ist der Regler absichtlich aus einem Material mit hohem Thermalwiderstand hergestellt, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl. Aus diesem Grund ist die einzige wirksame Kühlungsmethode für den Spiegel die natürliche Konvektion.The mirrors in the laser itself have a fixed position and therefore allow a robust thermal contact with the housing of the laser which, when cooled, provides a low thermal resistance conduction path to the cooling system. On the other hand, the mirrors directing the laser beam onto the work surface are normally attached to a thin regulator, usually the regulator of a limited rotation rotary motor. Because of the heat susceptibility of such an engine, the regulator is intentionally made of a material with high thermal resistance, for example, stainless steel. For this reason, the only effective cooling method for the mirror is natural convection.
Es kann bewiesen werden, dass der Wärmeverlust bei freier Konvektion von einer flachen Oberfläche etwa 6,6 × 10–2W/cm2 Oberfläche beträgt, wenn die umgebende Luft z. B. etwa 20°C beträgt und die Oberflächentemperatur z. B. etwa 50°C. Dadurch gibt es eine Obergrenze für die Leistung, die die Oberfläche, in diesem Falle der Spiegel, aufnehmen kann, wenn die Temperatur unter 50°C betragen soll. Dies ist erforderlich, weil sonst die Oberfläche des Spiegels sich wahrscheinlich von der Idealform entfernt und auch weil sich die Leistung des Reglers, an dem er angebracht ist, oft durch Wärme verringert.It can be proved that the heat loss in free convection from a flat surface is about 6.6 × 10 -2 W / cm 2 surface when the surrounding air is e.g. B. is about 20 ° C and the surface temperature z. B. about 50 ° C. There is an upper limit to the power that the surface, in this case the mirror, can absorb when the temperature is below 50 ° C. This is necessary because otherwise the surface of the mirror is likely to be away from the ideal shape and also because the performance of the regulator to which it is attached is often reduced by heat.
Die konventionelle Methode zum Entwurf eines Laserbearbeitungsspiegels ist, die Strahlenöffnung und die Spiegelgröße so festzulegen, dass sie groß genug sind eine fokussierte Punktgröße zu erzielen, die angebracht ist für die gewollte Verwendung. Der minimale Strahlendurchmesser beträgt D = (1,22 λ)(F)/Punktdurchmesser, wo F die Brennweite der Linse darstellt und λ die Wellenlänge des Lasers. So beträgt z. B., bei der Wellenlänge eines CO2-Lasers (10,6 μm oder 1,06 × 10–3 cm) und einer Brennweite von 20 cm, die minimale Öffnungsgröße, die erforderlich ist, um einen Punkt mit Durchmesser 1 × 10–2 cm zu schaffen, (1,22)(1,06 × 10–3)(20)/(1 × 10–2) = 2,59 cm Durchmesser. Die Oberfläche eines Spiegels mit dieser Öffnung, ausgelegt um bei einem nominalen Einfallswinkel von 45° zu funktionieren und mit Rücksichtnahme auf einen Abstand rund um die Öffnung, wäre etwa 1,65 D2 oder, in diesem Falle etwas über 11 cm2, und könnte bei einer Temperatur von 50°C und einer den Spiegel umgebenden Lufttemperatur von 20°C eine Leistung von 6,6 × 10–2 W/cm2 × 11 cm2 = 0,73 W ableiten (ein Temperaturanstieg von 30°C und eine absolute Temperatur von 50°C). Angenommen die reflektierende Beschichtung reflektiert 99,7% des Strahles, dann kann dieser Spiegel bei etwa 0,73/0,003 = 244 W Strahlenleistung benutzt werden, was bis vor kurzer Zeit angemessen war. Allerdings besteht der Bedarf für eine neue, effizientere Bauweise für solche Spiegel wenn, wie oben beschrieben, Laserleistungen in einer Kilowatt-Größenordnung (also bis zu 25 mal stärker als die erlaubte Wärme, die durch so einen Spiegel aufgenommen werden könnte) benutzt werden, wenn die Komplexität, die hohen Ausgaben und die Abnutzung vermieden werden sollen, die durch ein aktives Kühlsystem entstehen würden. Wir nennen einen solchen Spiegel ab jetzt einen Niedrigabsorbtionsspiegel.The conventional method of designing a laser processing mirror is to set the beam aperture and mirror size to be large enough to achieve a focused spot size appropriate for the intended use. The minimum beam diameter is D = (1.22λ) (F) / dot diameter, where F is the focal length of the lens and λ is the wavelength of the laser. So z. For example, at the wavelength of a CO 2 laser (10.6 μm or 1.06 × 10 -3 cm) and a focal length of 20 cm, the minimum aperture size required to make a dot of diameter 1 × 10 . 2 cm, (1.22) (1.06 x 10 -3 ) (20) / (1 x 10 -2 ) = 2.59 cm diameter. The surface of a mirror with this opening designed to operate at a nominal angle of incidence of 45 ° and with consideration for a distance around the opening would be about 1.65 D 2 or, in this case, slightly over 11 cm 2 , and could derive a power of 6.6 × 10 -2 W / cm 2 × 11 cm 2 = 0.73 W at a temperature of 50 ° C and an air temperature of 20 ° C surrounding the mirror (a temperature increase of 30 ° C and a absolute temperature of 50 ° C). Assuming the reflective coating reflects 99.7% of the beam, this mirror can be used at about 0.73 / 0.003 = 244W beam power, which until recently was adequate. However, there is a need for a new, more efficient design for such mirrors when, as described above, laser powers on a kilowatt order (ie up to 25 times greater than the allowable heat that could be received by such a mirror) are used when avoid the complexity, high cost and wear that would result from an active cooling system. We now call such a mirror a low-absorption mirror.
Die
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Deshalb besteht der Bedarf für eine wirtschaftliche und effiziente Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, die eine verbesserte Leistung in der Laserbearbeitung bereitstellt, ohne auf ein aktives Kühlsystem zurückgreifen zu müssen.Therefore, there is a need for an economical and efficient high performance laser processing unit that provides improved laser processing performance without having to resort to an active cooling system.
Die Erfindung stellt eine Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The invention provides a high power laser processing unit having the features of claim 1. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Offenbart ist eine Hochleistungs-Lasereinheit, umfassend eine Laserquelle und mindestens ein optisches Element in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung. Die Laserquelle stellt ein Hochleistungs-Laserlicht von einer Wellenlänge bereit. Das optische Element beinhaltet ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig für diese Wellenlänge ist und mindestens eine stark reflektierende Beschichtung an einer ersten Substratseite und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung an einer zweiten Substratseite. In weiteren Ausführungsformen beinhaltet die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Einheit für Hochleistungs-Laserbearbeitung.Disclosed is a high power laser unit comprising a laser source and at least one optical element in accordance with an embodiment of this invention. The laser source provides a high power laser light of one wavelength. The optical element includes a substrate that is substantially transparent to that wavelength and at least one highly reflective coating on a first substrate side and at least one non-reflective coating on a second substrate side. In further embodiments, the invention includes the use of the high performance laser processing unit of the invention.
Offenbart ist zudem ein Verfahren zum Bereitstellen einer Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, die den Schritt der Bereitstellung eines Hochleistungs-Laserlichts in einer Wellenlänge beinhaltet, und stellt bereit mindestens ein optisches Element, umfassend ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig für die Beleuchtung der Wellenlänge ist. Mindestens eine stark reflektierende Beschichtung wird auf der ersten Substratseite bereitgestellt und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung wird auf einer zweiten Substratseite bereitgestellt.Also disclosed is a method of providing a high power laser processing unit including the step of providing a high power laser light in one wavelength and providing at least one optical element comprising a substrate that is substantially transparent to the illumination of the wavelength. At least one highly reflective coating is provided on the first substrate side and at least one non-reflective coating is provided on a second substrate side.
Offenbart ist ferner ein Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, umfassend eine Laserquelle für ein Hochleistungs-Laserlicht einer Wellenlänge und mindestens ein optisches Element, umfassend ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig für die Wellenlänge ist, mindestens eine stark reflektierende Beschichtung auf der ersten Substratseite und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung auf einer zweiten Substratseite. Energie, die den Spiegel durchläuft, wird in einer wärmeableitenden Struktur abgefangen.Also disclosed is a high power laser processing unit comprising a laser source for a high power laser light of a wavelength and at least one optical element comprising a substrate that is substantially transparent to the wavelength, at least one highly reflective coating on the first substrate side, and at least one not reflective coating on a second substrate side. Energy passing through the mirror is trapped in a heat-dissipating structure.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Es wird nun die Erfindung anhand von Beispielen, und mit Bezug auf die anliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigt:The invention will now be further described by way of example and with reference to the accompanying drawings. It shows:
Die Figuren sind nur zu illustrativen Zwecken inbegriffen.The figures are included for illustrative purposes only.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER GEZEIGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE DISCLOSED EMBODIMENTS
Es wurde gefunden, dass Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheiten so aufgebaut werden können, dass sie ohne aktives Kühlsystem auskommen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die optischen Elemente, vor allem die Spiegel, so gestaltet sind, dass nur sehr wenig der einfallenden Laserleistung von den Spiegeln aufgenommen wird. In der Tat ist die Kombination der Unterlage und der Beschichtung so ausgewählt, dass die Energie, die nicht reflektiert wird, den Spiegel durchläuft, ohne absorbiert zu werden, so dass sie in einer Struktur gefangen wird, wo sie in Wärme umgewandelt wird und diese Wärme durch natürliche Konvektion, durch Konduktion oder eine Kombination davon, abgeleitet werden kann.It has been found that high power laser processing units can be designed to operate without an active cooling system. This is made possible by the fact that the optical elements, especially the mirrors, are designed so that only very little of the incident laser power is absorbed by the mirrors. In fact, the combination of backing and coating is selected so that the energy that is not reflected passes through the mirror without being absorbed, so that it is trapped in a structure where it is converted to heat and this heat by natural convection, by conduction or a combination thereof.
Ein Verfahren zur Konstruktion eines Niedrigabsorptionsspiegels, der in einer bestimmten Laserbearbeitungsanwendung benutzt werden kann, ist wie folgend. Zuerst werden die Betriebswellenlänge und die Strahlenleistung des Lasers festgelegt. Das Material für die Unterlage des Spiegels wird dann so ausgewählt, dass es so durchsichtig als möglich bei dieser Wellenlänge ist. Die Strahlenleistung in Watt wird dann mit (1-R) multipliziert, wo R das erwartete Reflexionsvermögen des Spiegels darstellt. Dies ist die Leistungsmenge, die durch die Beschichtung dringt. Das Resultat wird dann mit (1-T) multipliziert, wo T die zu erwartende Transparenz des Substrats darstellt. Dies ist die Menge der Leistung (PA), die durch die Beschichtung läuft und die in einem Durchgang von der Spiegelunterlage absorbiert wird. Dieses Resultat wird dann von der Leistungsmenge, die durch die Beschichtung geströmt ist abgezogen: (1-R)-(1-T). Dies ist die Restleistung, die durch die Beschichtung geflossen ist und kann durch interne Reflexion im Spiegel entweder teilweise oder komplett absorbiert werden oder durch die Rückseite des Spiegels fließen. Der Grad, zu welchem sie durchfließt, wird bestimmt durch die Fresnel-Reflexion auf der Rückseite. Das Resultat wird dann multipliziert mit (F), wo F die Fresnel-Reflexion auf der Rückseite des Spiegels darstellt, wenn diese Rückseite poliert ist. Ist die Rückseite nicht poliert, dann wird ein Großteil des Lichts zurück in den Spiegel gestreut und nach mehreren Aufprallen absorbiert. Zum Beispiel kann F = 0,5 betragen. Dieses Resultat wird mit PA addiert. Dies stellt die Gesamtleistung dar, die vom Spiegel absorbiert wird. Die minimale Spiegeloberfläche in cm2 wird dann erhalten, durch die Division des oben genannten Resultats durch 6,6 × 10–2 W/cm2. Mit Benutzung von wohlbekannten Feinfilmbeschichtungstechniken wird dann ein dielektrischer Reflektor gebildet, um R auf der Vorderseite zu erzielen. Mit wohlbekannten Feinfilmbeschichtungstechniken werden auch auf der Rückseite dielektrische nicht reflektiernde Beschichtungen gebildet, um F auf der Rückseite zu erreichen.A method of constructing a low-absorption mirror that can be used in a particular laser processing application is as follows. First, the operating wavelength and the beam power of the laser are determined. The material for the underlay of the mirror is then selected to be as transparent as possible at that wavelength. The beam power in watts is then multiplied by (1-R), where R represents the expected reflectivity of the mirror. This is the amount of power that passes through the coating. The result is then multiplied by (1-T), where T represents the expected transparency of the substrate. This is the amount of power (P A ) that passes through the coating and that is absorbed in one pass by the mirror pad. This result is then subtracted from the amount of power that has flowed through the coating: (1-R) - (1-T). This is the residual power that has flowed through the coating and can either be partially or completely absorbed by internal reflection in the mirror or flow through the back of the mirror. The degree to which it flows is determined by the Fresnel reflection on the back. The result is then multiplied by (F), where F represents the Fresnel reflection on the back of the mirror when this backside is polished. If the back is not polished, much of the light is scattered back into the mirror and absorbed after several impacts. For example, F = 0.5. This result is added with P A. This represents the total power absorbed by the mirror. The minimum mirror surface in cm 2 is then obtained by dividing the above result by 6.6 × 10 -2 W / cm 2 . Using well-known fine film coating techniques, a dielectric reflector is then formed to achieve R on the front side. With well-known fine film coating techniques, dielectric non-reflective coatings are also formed on the backside to achieve F on the back side.
Die Vorteile der Erfindung zeigen sich in dem folgenden Beispiel. Ein konventioneller Spiegel wird erwägt und seine Leistung verglichen mit der eines Spiegels, der nach dem oben genannten Verfahren konstruiert wurde. Um die Anzahl der Variablen gering zu halten, erwägen wir in beiden Fällen einen CO2-Laser mit einer Strahlenstärke von 6 kW und auch in beiden Fällen ein Siliciumsubstrat. Der konventionelle Spiegel hat eine polierte Oberfläche und eine fein geschliffene Rückseite. Die reflektierende Beschichtung ist aus Gold mit einer Schutzbeschichtung die so ausgewählt ist, dass das Reflexionsvermögen bei einer Wellenlänge von 10,6 μm am Höchsten ist, und deshalb beträgt das Reflexionsvermögen 99,7%. Bei dieser Wellenlänge hat Silicium eine interne Transparenz von etwa 0,900. Wenn wir durch die Verfahrensschritte gehen, finden wir heraus, dass der Spiegel 9,9 Watt Leistung absorbiert. Natürlich kann der Spiegel, wenn er groß genug ist, diese 9,9 Watt durch natürliche Konvektion abbauen. Normalerweise würden 150 cm2 (fast 100 mm Durchmesser) Spiegeloberfläche benötigt, um diese Wärme auf natürlichem Weg abzubauen, und das wäre zu groß, um in einen Laserlenkkopf zu passen, und die Leistung die aufgebracht werden müsste um ihn zu regeln, wäre wirtschaftlich sinnlos. In einem Spiegel mit demselben Substrat, der auf beiden Seiten poliert ist, und unter Annahme eines etwas niedrigeren Reflexionsvermögens von 0,995 bei einer ganz dielektrischen Reflektoranordnung und 0,5% Fresnel-Verlust auf der Rückseite, finden wir heraus, dass nur 1,808 Watt von dem gleichen Spiegel absorbiert werden. Das führt zu einer benötigten Oberfläche von 27 cm2, also weniger als 20% der oben genannten Größe, und im Bereich der Größe von normalerweise benützten Spiegeln in Laserlenkköpfen. In diesem Falle wurden 18 Watt Leistung des Laserstrahls am Spiegel verloren, wovon 1,8 Watt absorbiert wurden und 16,2 Watt durch den Spiegel gelaufen sind, in eine Energiefalle die groß genug ist, um diese Leistung aufnehmen zu können. Es sei auch bemerkt, dass die Spiegelöffnung, (27/1,65)1/2 = 4,04 cm, größer ist als die Minimalgröße die benötigt wird um die erforderliche Punktgröße zu erzielen.The advantages of the invention will become apparent in the following example. A conventional mirror is considered and its performance compared with that of a mirror constructed according to the above method. To minimize the number of variables, in both cases we consider a CO 2 laser with a beam power of 6 kW and also a silicon substrate in both cases. The conventional mirror has a polished surface and a finely ground back. The reflective coating is made of gold with a protective coating selected so that the reflectivity is highest at a wavelength of 10.6 μm, and therefore the reflectivity is 99.7%. At this wavelength, silicon has an internal transparency of about 0.900. As we go through the process steps, we find out that the mirror absorbs 9.9 watts of power. Of course, if the mirror is large enough, it can dissipate that 9.9 watts by natural convection. Normally 150 cm 2 (almost 100 mm diameter) mirror surface would be needed to naturally dissipate this heat and that would be too large to fit in a laser steering head and the power that would have to be applied to control it economically meaningless. In a mirror with the same substrate polished on both sides and assuming a slightly lower reflectivity of 0.995 for a full dielectric reflector assembly and 0.5% Fresnel loss on the back, we find that only 1.808 watts of that same mirror are absorbed. This results in a required surface area of 27 cm 2 , less than 20% of the above size, and in the size range of normally used mirrors in laser beam heads. In this case, 18 watts of laser power was lost at the mirror, of which 1.8 watts were absorbed and 16.2 watts passed through the mirror, into an energy trap large enough to absorb this power. It should also be noted that the mirror aperture, (27 / 1.65) 1/2 = 4.04 cm, is larger than the minimum size needed to achieve the required dot size.
Die Erfindung stellt deshalb ein Verfahren bereit, um ein Maximum an Energie, die dem Laserstrahl entweicht, durch den Spiegel in eine Falle zu leiten, anstatt dass sie vom Spiegel absorbiert wird. Im Allgemeinen wird immer ein Strahlendurchmesser produziert der angemessen ist, um die erforderliche Punktgröße zu erreichen, während gleichzeitig die Größe des Spiegels und des angeschlossenen Reglers möglichst klein bleibt.The invention therefore provides a method of passing a maximum of energy escaping the laser beam through the mirror into a trap instead of being absorbed by the mirror. In general, a beam diameter is always produced that is adequate to achieve the required spot size, while minimizing the size of the mirror and associated controller.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Benutzung von bestimmten Substraten und nicht reflektierenden Beschichtungen erreicht. Optische Elemente der Erfindung können mit einer Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit benutzt werden (siehe
In weiteren Ausführungsformen können die Spiegel
Es wurde gefunden, dass der Temperaturanstieg eines Spiegels durch die richtige Auswahl der Spiegelmaterialien um oder unter einem bestimmten Maximum gehalten werden kann, zum Beispiel um oder unter 30°C. Eines der Ziele ist es, die Menge der Wärme die der Spiegel absorbiert zu begrenzen. Normale reflektierende Beschichtungen erreichen eine Reflexion zwischen 99,5% und 99,7%, wodurch zwischen 0,3 und 0,5% der Energie auf das Substrat einschlägt. Die Menge der Wärme, die durch natürliche Konvektion abgeführt wird, bei einem Temperaturunterschied von 30°C, beträgt in etwa 6,6 × 10–2 W/cm2 der Spiegeloberfläche. Der Spiegel absorbiert den Rest der Laserenergie, wenn nicht die Erfindung benutzt wird, dank welcher die Mehrheit der nicht reflektierten Energie durch den Spiegel läuft.It has been found that the temperature rise of a mirror can be maintained at or below a certain maximum, for example at or below 30 ° C, by the proper choice of mirror materials. One of the goals is to limit the amount of heat the mirror absorbs. Normal reflective coatings achieve a reflectivity between 99.5% and 99.7%, resulting in between 0.3 and 0.5% of the energy impacting the substrate. The amount of heat dissipated by natural convection at a temperature difference of 30 ° C is about 6.6 × 10 -2 W / cm 2 of the mirror surface. The mirror absorbs the rest of the laser energy, unless the invention is used, thanks to which the majority of the non-reflected energy passes through the mirror.
Bei einem typischen 15 mm Spiegel beträgt die Oberfläche in etwa 4,2 cm2, also beträgt die Leistung, die durch Konvektion abgeleitet werden kann, nicht mehr als 4,2 cm2 × 6,6 × 10–2 Watt/cm2 = 0,28 Watt. Beträgt die Laserleistung 300 Watt, treffen nur 0,3% davon auf dem Substrat ein (0,003 × 300 W = 0,9 W). Das bedeutet, dass das Substrat nicht mehr als 0,28/0,9 = 31% der nicht reflektierten Energie absorbieren kann. Ist die Rückseite des Substrats nicht poliert, wie das normalerweise der Fall ist, wird die Gesamtheit der 0,9 W schlussendlich nach mehreren internen Reflexionen absorbiert werden. Ist die Rückseite poliert, dann wird ein Großteil der Energie absorbiert werden durch interne Reflexion wegen des hohen Refraktionsindex von Silicium, da die vordere Seite stark reflektierend ist.For a typical 15 mm mirror, the surface is approximately 4.2 cm 2 , so the power that can be derived by convection is not more than 4.2 cm 2 × 6.6 × 10 -2 Watt / cm 2 0.28 watts. If the laser power is 300 watts, only 0.3% of them will hit the substrate (0.003 × 300 W = 0.9 W). This means that the substrate can not absorb more than 0.28 / 0.9 = 31% of the unreflected energy. If the back side of the substrate is not polished, as is normally the case, the total of 0.9 W will eventually be absorbed after several internal reflections. If the back surface is polished, much of the energy will be absorbed by internal reflection due to the high refractive index of silicon, as the front side is highly reflective.
Siehe
Die Rückseite des Spiegels kann mit einem sehr niedrigen Reflektor beschichtet sein; z. B. mit einer nicht reflektierenden Beschichtung. Bei den Einfallswinkeln von Belang liegt jetzt der Fresnel-Verlust auf der Rückseite unter 0,5%, und die interne Transmission von Silicium bei einer Wellenlänge von 10,6 μm beträgt etwa 90%. Dies bedeutet, dass 10% der 0,9 Watt durch die klassische Absorption des Siliciums absorbiert werden und 0,5% des Restes wird durch Fresnel-Reflektion auf der Rückseite absorbiert. Das ist ein Total von 0,09 W + 0,004 W = 0,094 W, was viel weniger ist als die 0,28 Watt die bei einem Temperaturanstieg von 30°C abgeführt werden können und so ist der Temperaturanstieg am Spiegel um etwa die Hälfte niedriger. Folglich kann die Wärme die vom Spiegel absorbiert wird durch natürliche Konvektion abgeführt werden, ohne dass die Temperaturgrenze des Spiegels überschritten wird. Konventionelle Spiegel absorbieren dreimal so viel Energie in ihrem Substrat als die von bestimmten Ausführungsformen der Erfindung, und zehnmal so viel als die bevorzugte Ausführungsform, die wie folgt aussieht: CO2-Laser (10,6 μm Wellenlänge) Konventioneller Spiegel, Quarzsubstrat, feingeschliffene Rückseite
Der niedrigabsorbierende Spiegel absorbiert dreieinhalb mal weniger Leistung als die konventionellen Spiegel mit dem durchsichtigen Substrat und neunmal weniger Leistung als der konventionelle Spiegel mit dem undurchsichtigen Substrat.The low-absorbency mirror absorbs three and a half times less power than the conventional transparent substrate and nine times less power than the conventional mirror with the opaque substrate.
Gemäß einem Beispiel kann eine Einheit der Erfindung eine Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit beinhalten, die eine Laserquelle und mindestens eine Strahlenlenkplatte enthält. Die Laserquelle produziert einen Ausgangsstrahl mit Laserenergie (z. B. CO2, 10,6 μm, Ausgangsleistung). Die Lenkplatte empfängt (wenigstens teilweise) den Ausgangsstrahl der Laserenergie. Die Lenkplatte enthält ein Spiegelsubstrat (z. B. Silicium) das hochdurchlässig ist (bevorzugt nah am Maximum) für die Wellenlänge (z. B. bei CO2 mit einer Wellenlänge von 10,6 μm), so dass eine nennenswerte Absorption des Strahls im Substrat abgewendet werden kann. Das Substrat hat eine stark reflektierende Beschichtung (z. B. dielektrischer Block) auf einer ersten (vorderen) Substratoberfläche um fast die Gesamtheit der Laserenergie zu reflektieren, und hat auch eine nicht reflektierende Beschichtung auf einer zweiten (hinteren) Oberfläche (z. B. Zinksulfid, Stärke = ¼ Welle = 2,5 μm) damit fast die gesamte nicht reflektierte Laserenergie die durch das Substrat fließt auch durch die hintere Oberfläche fließt und damit so eine nennenswerte Rückreflexion der nicht reflektierten Energie verhindert wird. Die Kombination der stark reflektierenden Beschichtung (HR), der Substrattransmission und der nicht reflektierenden Beschichtung (AR) begrenzt den Temperaturanstieg des Substrats und erlaubt die Laserbearbeitung ohne zusätzliche Kühlung des Spiegelsubstrats. In einer weiteren Ausführungsform kann die Laserquelle z. B. eine Hochleistungs-YAG-Laserquelle sein.In one example, a unit of the invention may include a high power laser processing unit that includes a laser source and at least one beam steering plate. The laser source produces an output beam of laser energy (eg, CO 2 , 10.6 μm, output power). The steering plate receives (at least partially) the output beam of the laser energy. The steering plate includes a mirror substrate (eg. Silicon) which is highly permeable (preferably close to the maximum) for the wavelength (for. Example, in CO 2 with a wavelength of 10.6 microns), so that a significant absorption of the beam in Substrate can be averted. The substrate has a highly reflective coating (eg, dielectric block) on a first (front) substrate surface to reflect nearly all of the laser energy, and also has a non-reflective coating on a second (back) surface (e.g. Zinc sulfide, strength = ¼ wave = 2.5 μm) so that almost all the non-reflected laser energy flowing through the substrate also flows through the back surface, thus preventing significant back-reflection of the non-reflected energy. The combination of highly reflective coating (HR), substrate transmission and non-reflective coating (AR) limits the temperature rise of the substrate and allows laser processing without additional cooling of the mirror substrate. In a further embodiment, the laser source z. B. be a high power YAG laser source.
Das Substrat besteht z. B. aus Silicium, Germanium oder Zinksulfid (zur Benutzung im IR-Bereich) oder z. B. Quarz, Saphir oder Magnesiumfluorid (zur Benutzung im sichtbaren oder nahen IR-Bereich). Die reflektierende Beschichtung kann aus z. B. einer Kombination aus Titaniumdioxid, Siliciumdioxid, Thalliumfluorid oder Zinkselenid bestehen und die nicht reflektierende Beschichtung kann z. B. aus einer Verbindung aus Magnesiumfluorid, Aluminiumoxid oder Zinksulfid bestehen. Zum Beispiel in einer YAG-Lasereinheit (mit einer Zentralwellenlänge von etwa 1,06 μm) können zwei Sätze von abwechselnd TiO2- und SiO2-Filmen als reflektierende Beschichtung auf Kieselglas benutzt werden, und die nicht reflektierende Beschichtung kann aus fünf Sätzen MgF2 und Al2O3 bestehen. Bei einer CO2-Lasereinheit (mit einer Zentralwellenlänge von etwa 10,64 μm) können zwei Sätze von abwechselnd ThF4 und ZnSe-Filmen als reflektierende Beschichtung auf Silicium benutzt werden und die nicht reflektierende Beschichtung kann zwei Sätze von abwechselnd ThF4 und ZnS-Filmen beinhalten.The substrate consists z. As silicon, germanium or zinc sulfide (for use in the IR range) or z. Quartz, sapphire or magnesium fluoride (for use in the visible or near IR region). The reflective coating can be made of z. Example, a combination of titanium dioxide, silica, Thalliumfluorid or zinc selenide and the non-reflective coating may, for. B. consist of a compound of magnesium fluoride, aluminum oxide or zinc sulfide. For example, in a YAG laser unit (having a central wavelength of about 1.06 μm), two sets of alternating TiO 2 and SiO 2 films may be used as a reflective coating on silica glass, and the non-reflective coating may consist of five sets of MgF 2 and Al 2 O 3 . For a CO 2 laser unit (having a central wavelength of about 10.64 μm), two sets of alternating ThF 4 and ZnSe films may be used as a reflective coating on silicon, and the non-reflective coating may comprise two sets of alternating ThF 4 and ZnS 2. Include movies.
Das Leitsystem kann z. B. eine Drehmotoreinheit zur begrenzten Rotation beinhalten (z. B. eine Galvanometereinheit) und die Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit kann z. B. für Schweißen, Schneiden und Bohren usw. verwendet werden. Die Einheit kann weiter verschiedene optische und/oder mechanische Komponenten enthalten (z. B. Gelenkarme) um den Strahl von der Laserquelle zu mindestens einem Spiegel zu leiten. Das Lenksystem kann in einer vorobjektiven oder nachobjektiven Position angebracht sein (um die reflektierte Laserenergie auf die Arbeitsfläche zu fokussieren usw.).The control system can z. A rotation motor unit for limited rotation (e.g., a galvanometer unit), and the high-power laser processing unit may be e.g. B. for welding, cutting and drilling, etc. can be used. The unit may further include various optical and / or mechanical components (eg, articulated arms) to direct the beam from the laser source to at least one mirror. The steering system may be mounted in a pre-objective or post-objective position (to focus the reflected laser energy on the work surface, etc.).
Der Spiegel wird vorzugsweise gelötet, was das Benutzen von Klebstoff vermeidet. Das ist erforderlich, weil es vorkommen kann, dass der Laserstrahl auf die Kontaktfläche zwischen Spiegel und Fassung strahlt. Bei einem solchen Zwischenfall würde Klebstoff oder Kunstharz verdampfen und sich unweigerlich auf der oder den Spiegeloberfläche(n) absetzen. Diese Ablagerungen haben nachteilige optische Eigenschaften, z. B. eine starke Absorption der Laserenergie. Im besten Falle bewirken solche Ablagerungen eine Reduktion des lokalen Reflexionsvermögens des Spiegels und im schlimmsten Falle, wenn sie auf der Spiegeloberfläche festbacken, können sie die Zerstörung des Spiegels durch lokale Überhitzung bewirken. Lötmetall, wenn es richtig eingesetzt wird, hat eine glänzende, stark reflektierende Oberfläche, eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine gute thermische Verbindung mit der Fassung und eine Verdampfungstemperatur die Hunderte Grade über der von Klebstoffen oder Kunstharzen liegt. Dies bewirkt, dass geringfügige unabsichtliche Belichtung der Lötoberfläche mit dem Laserstrahl der Einheit keinen Schaden zufügt.The mirror is preferably soldered, which avoids the use of adhesive. This is necessary because it can happen that the laser beam radiates onto the contact surface between mirror and socket. In such an event, adhesive or resin would evaporate and inevitably settle on the mirror surface (s). These deposits have adverse optical properties, eg. B. a strong absorption of the laser energy. In the best case, such deposits cause a reduction in the local reflectivity of the mirror, and at worst, if they bake on the mirror surface, they can cause the destruction of the mirror by local overheating. Solder, when used properly, has a shiny, highly reflective surface, high thermal conductivity, good thermal connection with the socket, and an evaporation temperature hundreds of degrees higher than that of adhesives or resins. This causes slight unintentional exposure of the soldering surface to the laser beam to cause no damage to the unit.
In einer Ausführungsform kann der Strahlendeflektor (Subsystem) auf einem Roboter oder einer anderen Gelenkeinheit angebracht sein und kann wahlweise aktiv gekühlt werden. Die Erfindung ermöglicht auch die Verwendung von laserfrequenztransparenten Substraten und nicht reflektierenden Beschichtungen für die Hochleistungs-Laserbearbeitung.In one embodiment, the beam deflector (subsystem) may be mounted on a robot or other articulating unit and may optionally be actively cooled. The invention also enables the use of laser frequency transparent substrates and non-reflective coatings for high power laser processing.
Konventionelle Spiegel funktionieren normalerweise bis zu einer Bestrahlungsstärke von etwa 22 W/cm2 (100 W auf einem 15 mm Spiegel) mit etwa 0,003% absorbierte Leistung die durch natürliche Konvektion abgeleitet wird. Die Lösung mit dielektrischer Beschichtung, durchsichtigem Substrat und nicht reflektierender Beschichtung funktioniert bei Strahlungsdichten bis zu etwa 110 W/cm2 (500 W auf einem 15 mm Spiegel) weil verglichen mit einem konventionellen Spiegel nur 1/5 der Leistung vom Substrat absorbiert wird. Danach funktioniert die Einheit bei erzwungener Konvektion bis zu etwa 100 W/cm2 (500 W auf einem 15 mm Spiegel), beziehungsweise etwa 2,5 kW/cm2 (10,5 kW auf einem 15 mm Spiegel). Bei höheren Leistungen wird Wasserkühlung benötigt um die Spiegel nah an die Umgebungstemperatur zu kühlen. Verschiedene Kühlmethoden können über bestimmte Bereiche von Laserstärken benutzt werden. Ein 60 mm Spiegel der konventionell aufgebaut ist könnte 6 kW mit erzwungener Konvektion bewältigen, während ein 56 mm Spiegel der nach dieser Erfindung konstruiert ist bis zu 6 kW ohne aktive Kühlung bewältigen könnte.Conventional mirrors normally operate to an irradiance of about 22 W / cm 2 (100 W on a 15 mm mirror) with about 0.003% absorbed power derived by natural convection. The dielectric coating, transparent substrate, and non-reflective coating solution operates at radiation densities of up to about 110 W / cm 2 (500 W on a 15 mm mirror) because only 1/5 of the power is absorbed by the substrate compared to a conventional mirror. Thereafter, the forced convection unit operates up to about 100 W / cm 2 (500 W on a 15 mm mirror), or about 2.5 kW / cm 2 (10.5 kW on a 15 mm mirror). At higher powers, water cooling is needed to cool the mirrors close to the ambient temperature. Various cooling methods can be used over certain ranges of laser powers. A conventional 60mm mirror could handle forced convection 6kW while a 56mm mirror constructed according to this invention could handle up to 6kW without active cooling.
Obwohl sie oft benutzt werden und obwohl sie effizient zur Wärmeabführung von Spiegeln sind, müssen Zwangskonvektionskühlungen (Luftstrahl), um effizient zu sein, auf den Spiegel auftreffen. Eine oder mehrere Kräfte, die durch das Aufprallen verursacht werden, und Bernoulli-Effekte werden deshalb algebraisch mit den Spiegelreaktionskräften addiert, wie sie das Kontrollsystem in einer typischen Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit für die Geschwindigkeit und Position des Spiegels wahrnimmt. Die Amplitude und Richtung dieser Kräfte hängt von der Momenteinstellung von dem oder den Spiegel(n) gegenüber den Luftdüsen ab und ist nicht-linear und signifikant. Deshalb wird die Genauigkeit der Geschwindigkeit und der Position der Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit reduziert, wenn ein Druckluftkühlsystem für die Spiegel benutzt wird. Zusätzlich verursacht die Strömung von heißer Luft durch den Lichtstrahl optische Abweichungen, die die Tendenz haben, den Durchmesser des kleinstmöglichen fokussierten Punktes zu vergrößern, was weiter die Präzision der Einheit beeinträchtigt. Aus diesen Gründen werden sowohl die Leistung und die Kosten von Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheiten verbessert, wenn der Bedarf an Kühlung für die Spiegel wegfällt.Although they are often used and although they are efficient for heat dissipation of mirrors, forced convection cooling (air jet) must impinge on the mirror to be efficient. One or more forces caused by the bounce and Bernoulli effects are therefore algebraically added to the mirror reaction forces experienced by the control system in a typical high power mirror speed and position laser processing unit. The amplitude and direction of these forces depends on the moment setting of the mirror (s) relative to the air nozzles and is non-linear and significant. Therefore, the accuracy of the speed and position of the high power laser processing unit is reduced when using a compressed air cooling system for the mirrors. In addition, the flow of hot air through the light beam causes optical aberrations that tend to increase the diameter of the smallest possible focused spot, further affecting the precision of the unit. For these reasons, both the performance and cost of high power laser processing units are improved as the need for cooling for the mirrors is eliminated.
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In den erfindungsgemäßen Ausführungsformen können optische Elemente zum Einsatz kommen, die einen mehrschichtigen reflektierenden Teil enthalten, der z. B. mehrere Schichten von stark reflektierenden Beschichtungen enthält. Zum Beispiel zeigt
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Die Erfindung ergibt sich im Übrigen aus den nachstehenden Ansprüchen:Incidentally, the invention results from the following claims:
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